JPH0331997B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、流体の導入される胴内に、この流体
を横切る方向に平行に配置され、その内部に第２
の流体が導入される複数の管から成り、胴内に導
入される流体と管内に導入される流体との両流体
間で熱交換を行なうようにした多管式熱交換器に
関する。

まず、従来の多管式熱交換器について説明す
る。

第１図ａないしｂは従来の多管式熱交換器を示
したものである。図中１は管であり平行に多数配
列されて管群を形成している。２は管１を囲んで
いる胴であり、この胴２内を管群入側空胴部３か
ら管群出側空胴部４へ向けて流体が流れる。管１
はこの胴２内を流れる流体を横切る方向に平行に
配置されるもので、胴２の一方の外壁側に設けら
れた入口５ａを有するドラム６ａと、これと対称
な胴２の他方の外壁側に設けられた出口５ｂを有
するドラム６ｂとの間に設けられている。管１は
中空で両端は各ドラム６ａ，６ｂ内に開口してお
り、入口５ａから導入された流体は管１を通り出
口５ａから排出される。そして、胴２内に導入さ
れた流体が管１の外側を流れて管群を通り抜ける
際に、管１内を流れる流体と熱交換が行なわれ
る。

なお、第１図ｃには管群の説明をする場合の３
つの方向を示した。

さて、以上のような多管式熱交換器に於て、胴
内流体の流速が増加すると（言い替えると管間流
速Ｖが増加すると）各管の後流側に後流渦が発生
する。この後流渦の代表例としてカルマン渦と称
せられる渦があるが、この渦の発生振動数f_k（Hz）
は一般に次式より求まる。

f_k＝ＳＶ／Ｄ ………(A) こゝに、Ｖ（ｍ／Ｓ）は第１図ａに示した管間
流速であり、Ｄ（ｍ）は管１の外径、Ｓはストロ
ーハル数と称する無次元数であり、一般に管群の
配列により決まるものである。

一方、胴内流体も弾性体としてふるまい疎密波
状の振動をする能力を有している。いま胴内流体
が気体の場合このような振動を気柱振動と称して
いる。（音は気柱振動の一種である。） 第１図ａの胴２の内、胴巾T1（ｍ）を隔てて互
に平行に対向した壁面間の１次元気柱振動を考え
てみる（第２図参照）。このような壁にはさまれ
た空間に於ては、気柱振動の固有振動数fn（PH）
が存在する。

fnは次式により求まる。ただしＣは上記空間に
おける音速（ｍ／ｓ）である。

f_o＝nc／２×T1 ………(B) （ｎ＝１、２、…） この振動数f_o近傍で励振されると非常に大きな
レベルの気柱振動が誘起され、いわゆる気柱共鳴
状態になる。共鳴状態になつて、第２図に例示し
たような各モードが胴内に発生したとき、これを
定在波と呼ぶ。

第２図にこの固有振動数f₁〜f₃の３ケースに相
当する変位モードを示す。（実際には疎密波であ
るが、判り易いように横波状に模擬して表示して
いる。）（f_oに相当するモードは第ｎ次モードとい
う）。

なお、上記の壁にはさまれた空間には、部分的
又は全体的に管群が存在するが、ｎが１〜３位の
場合に於てはf_oへの影響は小さいようである。

以上より、f_k≒f_o（ｎ＝１、２、３、…）にな
ると、第１図ａの胴巾T₁方向に気柱共鳴を生じ
ることが判る。気柱共鳴が発生すると、例えば胴
２に大きな振動を生じて疲労破壊を招くこともあ
り、同時に大きな音を発生してオペレータ不安や
騒音公害を誘発するケースが多々見られる。

次に、多管式熱交換器において実際に問題にな
ることの多いところの第１次の固有振動数f₁とカ
ルマン渦振動数f_kの共鳴の発生例を第３図を用い
て説明する。

第３図は横軸に管間流速Ｖをとり、縦軸にはａ
図では振動数を、ｂ図では胴内の音圧レベルをと
つて発生状況を例示している。管群配置が定まる
と、式(A)に於て管外径Ｄとストローハル数Ｓ＝α
（αは定数）が定まるから、f_kは第３図の直線７
で示される。直線７とf₁との交点に相当する管間
流速Ｖ＝V_r近辺で前述の共鳴現象が発生するこ
とになるが、実際にはこのV_rを囲むもつと広い
V₁〜V₂の区間ｅで共鳴現象が発生することが多
い（第３図ａ中太線参照）。区間ｅの広さは胴内
部や、管群内部の気柱振動の減衰特性等に依存す
るが、場合によつては非常に広くなつて運転範囲
のほとんどをカバーしてしまうこともあり、この
区間を回避した運転ができなくなる場合もありう
る。

したがつて、基本的にこのような共振を回避す
るよう胴内気柱振動特性そのものを変える対策が
必要である。第１次の胴内気柱共鳴対策例を第４
図に示した。なお第４図の各格子点には管１が存
在することを示している。第４図に於て８はバツ
フル板と称する板で、一般に１〜８mm厚のものを
用いて、管群深さ相当かつ管長手方向に隙間なく
挿入されることが多い。又、バツフル板８の管群
巾方向の挿入位置は、第２図に示した気柱振動モ
ードの内回避すべき最大次数のモードのすべての
腹と節の位置が妥当である。第４図では第１次の
モードを対象にしているからその変位モードの腹
の位置に一枚だけ挿入している。

なお、図では管１は格子配列の場合についての
み示しているが、以上及び以降の記述は千鳥配列
の場合に関しても同様である。

このような対策の欠点について以下に述べる。

第４図にように管群深さ相当のバツフル板８を
挿入したものに於ては、管群部分の管群巾方向気
柱振動の１次固有振動数はバツフル板８を挿入す
る前の２倍になつているはずであるが、実際に運
転してみるとバツフル板８を挿入する前の１次の
固有振動数との第３図に示したような共鳴が依然
として残つていることがある。実験の結果、これ
は管群入側及び出側の空胴部分３，４の気柱振動
特性が管群内の渦発生を刺激していることが判明
した。管群入側及び出側空胴部の影響を絶つに
は、この部分へもバツフル板８を延長すればよい
が、こうすると次のような難点がある。

(1) 管群挿入後に管群入側及び出側空胴部のバツ
フル板を別途施工する必要がありコストが高く
なる。

(2) 高次のモード（式(B)でｎが大）が問題になる
場合にはバツフル板挿入ピツチが小さくなつて
バツフル板枚数が増え、保守や点検の時に邪魔
になる。

(3) 管表面に付着するすす・・やダストを落とす為に
スーツブロアを管群出側空胴部に挿入する場合
には、その通路に穴が明き空胴部をバツフル板
で完全におおうことができず、バツフル板を挿
入した効果が小さくなる。

本発明は上記のような事情にもとずき、バツフ
ル板を用いることなく、胴内に気柱振動の定在波
が発生しないようにすることを目的としてなされ
たものである。すなわち本発明は、流体の導入さ
れる胴内に、この流体を横切る方向に平行に配置
されその内部に第２の流体が導入される複数の熱
交換管を包含し、前記両流体間で熱交換を行う多
管式熱交換器において、少なくとも熱交換管が存
在する領域内の全域で前記胴の流体の流れ方向に
直交して対向する内壁面を、同内壁面の互いに対
向する部分に仮想する法線又は垂直線が一致しな
い角度に傾斜させて設定したことを特徴とする多
管式熱交換器にある。

以下本発明の実施例を第５図ないし第１０図を
参照して詳細に説明する。

第５図は本発明の一実施例を示したものであ
り、第１図と同様の部分には同一符号を附してあ
る。なお管１は各格子点に存在している。

すなわち、本発明では、管１を間にして対向す
る胴２の壁面が平行とならないように、胴２を、
第５図中矢印で示した胴内流体の流れ方向に、角
度θ₁（第５図胴２の左側）、θ₂（第５図胴２の右側）
だけ傾けて形成する。θ₁、θ₂は特に仝じ値である
必要はない。又、第５図では胴２は末広がりに示
しているが、逆の形も可能である。

傾斜条件としては｜θ₁＋θ₂｜＞10〜15゜が望ま
しい（この場合前述の胴内気柱供鳴をほゞ完全に
消してしまうことができる）が、θ₁＋θ₂＝０の場
合（第１図はθ₁＝θ₂＝０でありこの場合に相当す
る。）に比べて胴内気柱共鳴を起こりにくくする
という立場からは｜θ₁＋θ₂｜＞０であればよい。

なお、胴２を以上のような構造にする区間は、
第１図にもどつて示すと、最小限L1部分は必要
であり、L3、L5（又はL2、L4）へも適用する方
が望ましい。

次に上記のように構成した本発明の作用を説明
する。

第６図に示したような胴２の内部を矢印の方向
に流れる胴内流体の場に単管１Ａが置かれている
場合について説明する。

単管の後流側には前述の後流渦９が形成され
る。いまこの渦の１つであるＦ点から出た弾性波
の内第６図中胴内を左方向に伝わるものに着目し
てみる。

第６図ａは胴２の左右の内壁が互に平行な場合
である。（従来のθ₁＋θ₂＝０に相当する。）この場
合にはＦ点から左に出た弾性波は矢印１０のよう
に胴内流体内をその流体の音速で伝わり、胴２の
左側内壁で反射して１１を通り、胴２の右側内壁
で反射してＦ点にもどつてくる。（なお、胴内流
体の流速は該流体内の音速に比べて十分小さい場
合が多いので無視して説明している。）このよう
に、ある点Ｆから出発した弾性波が、反射をくり
返した後に再び元のＦ点にもどる時その経路にそ
つて第２図で示したような定在波が発生し気柱共
鳴が問題になる。

一方第６図ｂは、本発明の場合を示し、胴２の
対向する内面が平行ではないので、Ｆ点から出た
弾性波は反射をくり返す毎にＦ点から遠ざかり元
のＦ点にはもどつて来ない。したがつて原則とし
て気柱共鳴の問題はなくなる。

以上の作用は管群に関しても全く同様に言える
から、第５図に示した本発明の実施例として述べ
たような構造に於ては、気柱共鳴問題の発生を回
避しうると考えることができる。

なお、第７図に示したように円筒状の胴２の中
に管群が挿入されている場合が熱交換器ではしば
しば見られ、前述と同様な気柱共鳴の問題が経験
されている。この場合には対向する胴２は曲面で
あるが、第６図ａの場合と同様に弾性波の反射を
考えてみるとＦ→１０→１１→１２→Ｆとなり気
柱共鳴発生が裏付けられる。したがつてこのよう
な胴形状の場合にも実質的に平行壁と同様と見做
され、従つて前述の構造案は拡張して適用できる
わけである。すなわち対向する胴２の内壁の曲率
を変えてやることにより、気柱共鳴の発生を防止
することができる。

第８図は本発明の他の実施例を示したもので、
胴２の外壁は平行であるが胴２の内壁を胴内流体
の流れ方向にθ₁、θ₂だけ傾けて、｜θ₁＋θ₂｜＞０
とした構造であり、他は第５図の場合と同様であ
る。

なお、この場合、第８図では胴２を中実として
示しているが、中空にする場合もありうるものと
する。

第９図は本発明の更に他の実施例を示したもの
で、胴２の内左側に示すように、胴２又は胴２の
内壁表面を一平面とせず凹凸を有するように形成
したものである。

第１０図は本発明の他の実施例を示したもので
ある。胴２又は胴２の内壁を管長手方向にθ₃、θ₄
だけ傾いて｜θ₃＋θ₄｜＞０としたもので、他は第
５図の場合と同じである。たゞし、第１０図中１
３は仕切板で、胴２を管長手方向に傾けることに
よつて生じた開口部をふさぐためのものであり、
１４は流路面積の拡大を防止するガイド板であ
り、ガイド板１４には例えば開口率15〜20％以上
の小さい孔（形状は円形等）が一面にあけてあ
る。このようにすると、ガイド板１４は胴内流体
が空胴１５に入り込む時の抵抗体になるが、管群
内の弾性波は何の障害もなく通り抜ける為第５図
の実施例と仝様の作用効果が生じることになる。

なお、この実施例の構成は、前述の他の実施例
の何れか１つ又は複数個と組み合わせて適用する
こともできるものである。

以上述べたように本発明によれば、胴内の管群
の幅方向に気柱振動の定在波の発生を防止するこ
とのできる多管式熱交換器が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の多管式熱交換器を示す、ａは要
部の縦断面図、ｂは第１図ａの−線に沿う断
面図、ｃは管群の説明図、第２図は胴内に生ずる
気柱振動の説明図、第３図ａ，ｂは気柱振動の発
生状況を示す特性図、第４図は従来の胴内気柱共
鳴の防止策を示した図、第５図は本発明の一実施
例を示す要部断面図、第６図ａ，ｂは本発明の作
用を従来のものと比較して説明するために示した
説明図、第７図は別の従来例を示した断面図、第
８図ないし第１０図は夫々本発明の他の実施例を
説明するために示した断面図である。 １……管、２……胴、３……管群入側空胴部、
４……管群出側空胴部、T₁……胴幅、Ｖ……管
間流速。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 流体の導入される胴内に、この流体を横切る
   方向に平行に配置されその内部に第２の流体が導
   入される複数の熱交換管を包含し、前記両流体間
   で熱交換を行う多管式熱交換器において、少なく
   とも熱交換管が存在する領域内の全域で前記胴の
   流体の流れ方向に直交して対向する内壁面を、同
   内壁面の互いに対向する部分に仮想する法線又は
   垂直線が一致しない角度に傾斜させて設定したこ
   とを特徴とする多管式熱交換器。